Исследование теплового состояния электродов термоэмиссионного преобразователя с косвенным нагревом


Авторы

Акатьев И. Д.1*, Яшин М. С.2, Онуфриев В. В.1

1. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация
2. АО «НИИ НПО «ЛУЧ», Подольск, Российская Федерация

*e-mail: akatevid@student.bmstu.ru

Аннотация

Статья посвящена исследованию теплового состояния электродов термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) с лучистым нагревом раскаленными продуктами сгорания природного топлива. Авторами проведено исследование теплового состояния электродов с использованием программного комплекса конечно-элементного (КЭ) анализа COMSOL Multiphysics, позволяющего решать мультифизические задачи, представленные системой дифференциальных уравнений в частных производных. Рассмотрена упрощенная трехмерная геометрия, состоящая из плоских цилиндрических электродов, металлокерамического узла и внутреннего заполненного цезием межэлектродного зазора. Использованы модули «Heat Transfer in Solids and Fluids» и «Surface-to-Surface Radiation» при заданных граничных условиях, соответствующих работе термоэмиссионного преобразователя в режиме холостого хода – при отсутствии электронного охлаждения эмиттера. Расчетным методом получено поле температур в электродах и изоляторе термоэмиссионного преобразователя, которое позволяет судить о влиянии тепловых режимов элементов конструкции на их температуры.


Ключевые слова:

термоэмиссионный преобразователь, плоские электроды, тепловое состояние, конечно-элементная модель, нагрев, охлаждение

Список источников

  1. Khalid K.A.A., Leong T.J., Mohamed K. Review on Thermi-onic Energy Converters // IEEE Transactions on Electron De-vices. 2016. Vol. 63. № 6. pp. 2231–2241. DOI: 10.1109/TED.2016.2556751
  2. Campbell M.F., Celenza T.J., Schmitt F. et al. Progress Toward High Power Output in Thermionic Energy Converters // Advanced Science. 2021. Vol. 8. № 9. DOI: 10.1002/advs.202003812
  3. Go D.B., Haase J.R., George J. et al . Thermionic Energy Con-version in the Twenty-first Century: Advances and Oppor-tunities for Space and Terrestrial Applications // Frontiers in Mechanical Engineering. 2017. Vol. 3. DOI: 10.3389/fmech.2017.00013
  4. Леонтьев А.И., Онищенко Д.О., Панкратов С.А. и др. Применение термоэлектрического генератора для обес-печения работоспособности турбины дизеля c частичной тепло-изоляцией камеры сгорания // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 5. С. 227–232.
  5. Колычев А.В., Керножицкий В.А., Левихин А.А. Система тепловой защиты керамических термонапряженных элементов спускаемых аппаратов и возвращаемых сту-пеней ракет-носителей // Тепловые процессы в технике. 2018. Т. 10. № 7–8. С. 325–333.
  6. Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А. и др. Мате-матическое моделирование активной термоэмиссион-ной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обте-кании оболочки // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 3. С. 517–528.
  7. Полоус М.А., Ярыгин В.И. Методика трехмерного расче-та выходных характеристик экспериментального тер-моэмиссионного преобразователя // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 6. С. 36–41.
  8. Полоус М.А. Усовершенствование методики расчета вы-ходных характеристик многоэлементного термо-эмиссионного электрогенерирующего канала реактора-преобразователя // Известия высших учебных заведе-ний. Ядерная энергетика. 2010. № 1. С. 164–172.
  9. Гонтарь А.С., Давыдов А.А., Зазноба В.А. и др. Ком-плексное компьютерное моделирование выходных па-раметров и ресурсного поведения многоэлементного ЭГК на основе диоксида урана // Вопросы атомной науки и техники. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2014. № 1. С. 18–25.
  10. Бабушкин Ю.В., Зимин В.П. Математическое обеспече-ние для моделирования термоэмиссионных систем // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №1. С. 51–55.
  11. Ушаков Б.А., Никтин В.Д., Емельянов И.Я. Основы тер-моэмиссионного преобразования энергии. М.: Атоиз-дат, 1974. 288 с.
  12. Акатьев И.Д., Яшин М.С., Онуфриев В.В. Энергетическая модель плоского термоэмиссионного преобразователя с газопламенным нагревом эмиттера // Будущее маши-ностроения России: XVI всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием): сборник докладов. В 2-х томах, Москва, 19–22 сентября 2023 года. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2024. С. 391–399.
  13. Торопов Е.В. Адаптация степени черноты продуктов сгорания топлив к интервалу температур 1000...2000 К // Вестник Южно-Уральского государственного универ-ситета. Серия: Энергетика. 2018. Т. 18. № 3. С. 22–29. DOI: 10.14529/power180303
  14. Абдуллин А.М. Спектральные характеристики радиаци-онного теплообмена в пламенных печах нефтехимиче-ской промышленности // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. № 4. С. 40–42.
  15. Юдин Р.А., Шестаков Н.И., Юдин И.Р. и др. Особенности расчета и регулирования процессов двухстадийного сжигания природного газа // Вестник Череповецкого государственного университета. 2014. № 4(57). С. 26–30.
  16. Юдин Р.А., Шестаков Н.И., Юдин И.Р. и др. Особенности расчета неполного сгорания топлива произвольного химического состава // Череповецкие научные чтения – 2012: Материалы Всероссийской научно-практической конфе-ренции. (Череповец, 01–02 ноября 2012 года / Ответ-ственный редактор Н.П. Павлова. Том Часть 3. Черепо-вец: Череповецкий государственный университет, 2013). С. 271–272.
  17. Ярыгин В.И. Электродные материалы термоэмиссион-ных преобразователей энергетических установок раз-личного назначения: Дисс. ... докт. техн. наук. Обнинск, 1999. 65 с.
  18. Грибков А.С., Попов А.Н., Синявский В.В. Двухрежимная космическая ядерно-энергетическая установка на базе термоэмиссионного реактора-преоб-разователя и тер-моэлектрохимического генератора // Космическая тех-ника и технологии. 2017. № 3(18). С. 42–52.
  19. Пономарев-Степной Н.Н. (ред.). Изд. 2-е, доп. Космиче-ская ядерная энергетика (ядерные реакторы с термо-электрическим и термоэмиссионным преобразовани-ем – «Ромашка» и «Енисей»). М.: ИздАТ, 2012. 227 с.
  20. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. справочник. М.: Атомиздат, 1968. 484 с.
  21. Сулейманов С.Х., Дыскин В.Г., Джанклич М.У. и др. Определение степени черноты керамического компо-зиционного материала ВМК-5 // Computational nano-technology. 2021. Т. 8. № 2. С. 24–28. DOI: 10.33693/ 2313-223X-2021-8-2-24-28
  22. Блох А.Г. Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен из-лучением. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 431 с.
  23. COMSOL – Software for Multiphysics Simulation. 2025.
  24. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд. М.: Физматгиз, 1972. 720 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2025